2. Condensation de Bose-Einstein, superfluidité, modèle à deux fluides
La superfluidité est une propriété essentiellement quantique, qui n'aurait pu être interprétée dans le cadre de la mécanique classique. On distingue, en mécanique quantique, deux types de particules appelées fermions ou bosons selon le type de statistique qui en régit le comportement. L'important ici est qu'à température nulle, dans un gaz de bosons identiques toutes les particules occupent l'état d'énergie la plus basse, et ont ainsi la même vitesse. En fait, dès que la longueur d'onde de Broglie qui caractérise l'agitation thermique est inférieure à la distance entre particules, au-dessous donc d'une valeur critique de la température qui dépend de la densité et de la masse des bosons, une proportion finie de celles-ci occupe le même état et l'on dit qu'il y a « condensation de Bose-Einstein ».
Or l'atome d'hélium 4 est un boson, car il est constitué d'un nombre pair de particules de spin demi-entier, et l'on admet que la transition superfluide est associée à une condensation de Bose-Einstein, bien qu'aucune théorie microscopique détaillée n'en existe encore à ce jour. Les électrons en revanche sont des fermions et doivent donc s'associer par paires pour devenir bosons et se condenser. Il en est de même des atomes d'hélium 3, ce qui explique que, bien qu'ayant seulement un neutron de moins que leur isotope plus répandu l'hélium 4, ils se condensent à une température mille fois plus basse. Mais le problème théorique de ce système, soulevé par F. London dès 1938, réside dans le fait que l'hélium 4 vers 2 K est un liquide, non un gaz, et qu'il existe des interactions non négligeables entre atomes, ce qui a au moins trois conséquences essentielles : la température de transition est plus basse que s'il s'agissait d'un gaz (environ 2,2 K au lieu de 3,1 K), 10 p. 100 seulement environ des atomes se condensent à température nulle (O. Penrose et L. Onsager, 1956) et, surtout, les excitations élémentaires sont des modes collectifs qui se propagent avec une vitesse m […]
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